本發(fā)明屬于掃描電鏡測試器件技術(shù)領(lǐng)域，具體地講，涉及一種原位測量固-液相界面電化學(xué)反應(yīng)的芯片組件。

背景技術(shù)：

固-液界面的研究，因其在生物學(xué)和化學(xué)與界面科學(xué)中的重要性一直是國內(nèi)外科學(xué)界研究的熱點(diǎn)。近年來隨著納米材料科學(xué)的興起，越來越多的研究結(jié)果表明，材料的納米結(jié)構(gòu)對(duì)其性質(zhì)有著關(guān)鍵性的影響。掃描電子顯微鏡(SEM)作為強(qiáng)有力的材料表面結(jié)構(gòu)表征工具，可以分析得到材料原子級(jí)高分辨率、樣品表面形貌變化和化學(xué)元素能譜等信息。而且SEM對(duì)于液體芯片尺寸的要求遠(yuǎn)低于TEM液體芯片，其芯片尺寸不受限制，便于形貌變化觀測。

目前的SEM固液測試方法是利用特制的配套液體芯片。一般利用環(huán)氧樹脂將兩片芯片封裝起來，其中一片芯片提供四棱凹槽裝待測液體，一片新片提供氮化硅薄膜窗口，然后通過微加工分別在兩片芯片上制作電極實(shí)現(xiàn)SEM固-液原位電化學(xué)測試。但現(xiàn)有的適用于特制固-液測試樣品桿SEM芯片主要有兩個(gè)缺點(diǎn)：(1)成本很高；使用該技術(shù)的客戶均需要購買特制的樣品桿，特制樣品桿價(jià)格至少在10萬人民幣以上，極大地限制了該技術(shù)的推廣范圍；(2)對(duì)于液體芯片的加工要求較高；由于該技術(shù)是利用特制的樣品桿來安放該液體芯片，液體芯片的尺寸和結(jié)構(gòu)都需要和樣品桿配對(duì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種原位測量固-液相界面電化學(xué)反應(yīng)的芯片組件，該芯片組件可應(yīng)用于常規(guī)SEM的樣品臺(tái)，無需使用特制樣品桿，從而大幅度降低了成本。

為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

一種原位測量固-液相界面電化學(xué)反應(yīng)的芯片組件，包括第一電極、第二電極、第一絕緣膜、第二絕緣膜、第三絕緣膜、第四絕緣膜以及相對(duì)設(shè)置且兩側(cè)對(duì)應(yīng)密封結(jié)合的上芯片和下芯片；所述上芯片中具有通孔，所述第一絕緣膜覆蓋所述上芯片的內(nèi)表面及所述通孔在所述上芯片的內(nèi)表面上的開口，所述第二 絕緣膜覆蓋所述上芯片的外表面；所述第一電極設(shè)置在所述第一絕緣膜朝向所述下芯片的表面上且位于所述通孔之下；所述下芯片的內(nèi)表面部分下凹形成與所述通孔相對(duì)的凹槽，所述第三絕緣膜覆蓋所述下芯片的內(nèi)表面及外表面，所述第四絕緣膜覆蓋所述凹槽的內(nèi)壁及所述下芯片的內(nèi)表面上的第三絕緣膜；所述第二電極設(shè)置在所述第四絕緣膜上且位于所述凹槽的一側(cè)。

進(jìn)一步地，所述通孔的尺寸沿著遠(yuǎn)離所述上芯片的內(nèi)表面的方向逐漸增大。

進(jìn)一步地，所述第一電極呈柵格結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述第一電極的尺寸與所述通孔在所述上芯片的內(nèi)表面上的開口相匹配。

進(jìn)一步地，所述第一電極向所述上芯片的側(cè)端延伸，以形成第一電極延伸部。

進(jìn)一步地，所述芯片組件還包括第一粘合件和第二粘合件，所述第一粘合件設(shè)置于所述第二電極和與所述第二電極相對(duì)的第一絕緣膜之間，所述第二粘合件設(shè)置于所述第一電極延伸部和與所述第一電極延伸部相對(duì)的第四絕緣膜之間。

進(jìn)一步地，所述第一粘合件和/或所述第二粘合件為由環(huán)氧樹脂形成的粘合劑。

進(jìn)一步地，所述第一絕緣膜和/或第二絕緣膜和/或第三絕緣膜和/或所述第四絕緣膜由氮化硅形成。

進(jìn)一步地，所述第一電極和/或所述第二電極的材料為金屬導(dǎo)電材料。

進(jìn)一步地，所述上芯片和所述下芯片的截面尺寸均為1.5cm×2cm～2cm×3cm。

本發(fā)明通過制備截面尺寸為1.5cm×2cm～2cm×3cm的大尺寸上芯片和下芯片，并分別在上芯片和下芯片上通過微加工制備第一電極和第二電極，使得該芯片組件可應(yīng)用于常規(guī)SEM的樣品臺(tái)，從而免除了特制樣品桿的需求，大幅度降低了測試成本(從十幾萬元降至幾千元)；與此同時(shí)，第一電極具有柵格結(jié)構(gòu)，有利于對(duì)待測樣品在柵格結(jié)構(gòu)邊緣的形貌變化進(jìn)行觀察；因此根據(jù)本發(fā)明的原位測量固-液相界面電化學(xué)反應(yīng)的芯片組件在大幅度降低測試成本的同時(shí)，又有利于對(duì)待測樣品的變化進(jìn)行觀察。

附圖說明

通過結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述，本發(fā)明的實(shí)施例的上述和其它方面、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的原位測量固-液相界面電化學(xué)反應(yīng)的芯片組件的剖面圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的第一電極的俯視圖。

具體實(shí)施方式

以下，將參照附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。然而，可以以許多不同的形式來實(shí)施本發(fā)明，并且本發(fā)明不應(yīng)該被解釋為限制于這里闡述的具體實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例是為了解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的各種實(shí)施例和適合于特定預(yù)期應(yīng)用的各種修改。在附圖中，為了清楚起見，可以夸大元件的形狀和尺寸，并且相同的標(biāo)號(hào)將始終被用于表示相同或相似的元件。

將理解的是，盡管在這里可使用術(shù)語“第一”、“第二”等來描述各種元件，但是這些元件不應(yīng)受這些術(shù)語的限制，這些術(shù)語僅用于將一個(gè)元件與另一個(gè)元件區(qū)分開來。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的原位測量固-液相界面電化學(xué)反應(yīng)的芯片組件的剖面圖。

參照?qǐng)D1，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的原位測量固-液相界面電化學(xué)反應(yīng)的芯片組件包括上芯片100、下芯片200、第一電極310、第二電極320、第一粘合件410、第二粘合件420、第一絕緣膜510、第二絕緣膜520、第三絕緣膜530以及第四絕緣膜540；其中，上芯片100和下芯片200相對(duì)設(shè)置，上芯片100和下芯片200的兩側(cè)分別通過第一粘合件410和第二粘合件420對(duì)應(yīng)密封結(jié)合。

在本實(shí)施例中，上芯片100和下芯片200由截面尺寸約為2cm×3cm、厚度為200μm的Si片制成，第一粘合件410和第二粘合件420的材料為環(huán)氧樹脂。其中，上芯片100和下芯片200的厚度不作特定要求，根據(jù)具體選定的Si片的厚度決定，一般控制在200μm～500μm的范圍內(nèi)即可；上芯片100和下芯片200之間的距離也不作特定要求，根據(jù)粘合時(shí)環(huán)氧樹脂的用量決定。但本發(fā)明并不限制于此，上芯片100和下芯片200的截面尺寸一般控制在1.5cm×2cm～2cm×3cm的范圍內(nèi)，以滿足本發(fā)明的要求。

如此，由上芯片100、下芯片200及第一粘合件410、第二粘合件420組成一個(gè)封閉空腔，該封閉空腔即可在進(jìn)行原位測量固-液相界面電化學(xué)反應(yīng)時(shí)用作盛放待測液體610。

具體地，上芯片100中具有一貫穿該上芯片100的通孔110，且該通孔110的尺寸沿著遠(yuǎn)離該上芯片100的內(nèi)表面的方向逐漸增大；也就是說，該通孔110其實(shí)質(zhì)為一四棱凹槽，而其截面形狀為一倒置的梯形。

上述通孔110朝向下芯片200的開口以及該上芯片100的內(nèi)表面上即覆蓋有第一絕緣膜510，如此，通孔110和覆蓋在其開口處的第一絕緣膜510即形成了一個(gè)在原位測量時(shí)用于觀測的窗口；而該上芯片100的外表面上則覆蓋有第二絕緣膜520。與此同時(shí)，第一電極310即位于上述通孔110下方，且設(shè)置在第一絕緣膜510的朝向下芯片200的表面上，并且第一電極310還向上芯片100的側(cè)端延伸形成了第一電極延伸部311。

更為具體地，第一電極310的尺寸與上述通孔110在上芯片100的內(nèi)表面上的開口的尺寸相當(dāng)，且第一電極310還具有柵格結(jié)構(gòu)，如圖2所示；在進(jìn)行SEM原位測量固-液相界面電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，待測固體620即粘附于該柵格結(jié)構(gòu)處，待測固體620從而與封閉空腔中的待測液體610接觸發(fā)生反應(yīng)，該柵格結(jié)構(gòu)可方便觀察待測固體620在待測液體610中產(chǎn)生的形貌變化。

下芯片200包括內(nèi)表面部分下凹形成的與通孔110相對(duì)的凹槽210。本實(shí)施例中的凹槽210也呈四棱凹槽狀；當(dāng)然，上述通孔110的形狀及凹槽210的形狀并不是固定不變的，其他具有相似功能的形狀均可，如凹槽210還可以是其他不規(guī)則形狀。

與上芯片100的組成相類似的是，下芯片200的位于凹槽210兩側(cè)的內(nèi)表面上及外表面上均覆蓋有第三絕緣膜530，而凹槽210的內(nèi)壁及下芯片200的內(nèi)表面上的第三絕緣膜530上則覆蓋有第四絕緣膜540；第二電極320則直接設(shè)置在位于凹槽210一側(cè)的第四絕緣膜530上；也就是說，在下芯片200的內(nèi)表面上依次覆蓋有第三絕緣膜530和第四絕緣膜540。

優(yōu)選地，上述第一絕緣膜510、第二絕緣膜520、第三絕緣膜530以及第四絕緣膜540的材料為低應(yīng)力氮化硅膜，該低應(yīng)力氮化硅膜的應(yīng)力約為250MPa。在本實(shí)施例中，第一絕緣膜510和第二絕緣膜520的厚度均為50nm，而第三絕緣膜530和第四絕緣膜540的厚度均為50nm。當(dāng)然，本發(fā)明并不限制于此，作為第一絕緣膜510、第二絕緣膜520、第三絕緣膜530、第四絕緣膜540的低應(yīng) 力氮化硅膜的應(yīng)力控制在不超過250MPa即可，而位于上芯片100的第一絕緣膜510和第二絕緣膜520的厚度控制在50nm～80nm的范圍內(nèi)、而位于下芯片200的第三絕緣膜530和第四絕緣膜540的厚度控制在50nm～200nm的范圍內(nèi)即可。

在本實(shí)施例中，第一粘合件410設(shè)置于第二電極320和與之相對(duì)的第一絕緣膜510之間，而第二粘合件420則設(shè)置于第一電極延伸部311和與之相對(duì)的第四絕緣膜540之間。

進(jìn)一步地，第一粘合件410和第二粘合件420均為由環(huán)氧樹脂形成的粘合劑。當(dāng)然，其他可實(shí)現(xiàn)將上芯片100和下芯片200的兩側(cè)對(duì)應(yīng)密封結(jié)合的粘合劑均可，該技術(shù)為本領(lǐng)域技術(shù)人員慣用手段，此處不再一一贅述。

本實(shí)施例中，優(yōu)選地，第一電極310為Au電極，第二電極320為Cu電極；值得說明的是，第一電極310和第二電極320均浸泡在待測液體610中，且待測固體620承載于第一電極310上，因此要求第一電極310和第二電極320均不可與待測液體610與待測固體620反應(yīng)，當(dāng)然，第一電極310和第二電極320一般通過常規(guī)SEM熱臺(tái)引出并用作電化學(xué)測量，其具有導(dǎo)電特性即可，也就是說，在本發(fā)明中，第一電極310和第二電極320可以由其他合適類型的金屬導(dǎo)電材料或者其他合適類型的導(dǎo)電材料形成，具體選擇根據(jù)實(shí)際操作中待測液體610和待測固體620的種類來決定。

上述適用于SEM的原位測量固-液相界面電化學(xué)反應(yīng)的芯片組件的制備過程如下所述。

首先是上芯片100的制備，具體采用下述方法。

(1)選定一片厚度為200μm的Si片作為上芯片100的材料，并采用化學(xué)氣相沉積法在該Si片的相對(duì)的兩面生長50nm厚的氮化硅薄膜(該氮化硅薄膜的應(yīng)力約為250MPa)。

(2)在其中一面氮化硅薄膜的中部選取1cm×1cm大小的區(qū)域，采用光刻法并采用等離子體刻蝕4min去除該區(qū)域處的氮化硅薄膜，以此處作為制備上芯片100中通孔110的初始位置。

(3)采用氫氧化鉀濕法由上述選定的初始位置開始腐蝕Si片，直至露出另一面的氮化硅薄膜，如此，即形成了通孔110，而剩余仍舊覆蓋在Si片表面上的氮化硅薄膜即第一絕緣膜510和第二絕緣膜520。

值得說明的是，在上述腐蝕Si片的過程中，形成的通孔110為一四棱凹槽，也就是說，該通孔110的截面形狀為一梯形，該通孔110即具有了兩個(gè)大小不同的開口；其中，覆蓋在該通孔110較小開口處以及向該開口兩側(cè)延伸的上芯片100的表面上的氮化硅薄膜即第一絕緣膜510，而覆蓋在該上芯片100另一表面上的氮化硅薄膜即第二絕緣膜520。而在后續(xù)將上芯片100與下芯片200拼裝的過程中，將第一絕緣膜510朝向下芯片200的方向，也就是說，第一絕緣膜510其實(shí)質(zhì)是覆蓋在上芯片100的內(nèi)表面及通孔110在上芯片100內(nèi)表面上的開口，而第二絕緣膜520則覆蓋在該上芯片100的頂表面。

(4)采用電子束蒸發(fā)法在通孔110下端及上芯片100側(cè)端之間的第一絕緣膜510上沉積50nm厚的金屬Au，以形成第一電極310及第一電極延伸部311，且在沉積過程中，與通孔110相對(duì)處通過光刻形成的柵格狀結(jié)構(gòu)使得位于通孔110下方的第一電極310呈柵格結(jié)構(gòu)，而由第一電極310向上芯片100側(cè)端延伸沉積的金屬Au即第一電極延伸部311；值得說明的是，上述第一電極310及第一電極延伸部311形成在第一絕緣膜510朝向下芯片200的表面上。

然后是下芯片200的制備，具體采用下述方法。

(5)選定另一片厚度為200μm的Si片作為下芯片200的材料，并采用化學(xué)氣相沉積法在該Si片的相對(duì)的兩面生長50nm厚的氮化硅薄膜(該氮化硅薄膜的應(yīng)力約為250MPa)。

(6)采用氫氧化鉀濕法腐蝕Si片，直至出現(xiàn)開口大小為1cm×1cm的四棱凹槽作為下芯片200的凹槽210，其中，腐蝕深度控制為100μm左右，即該凹槽210的深度為100μm左右。如此，除該凹槽210處的Si片的兩面的氮化硅薄膜即為第三絕緣膜530。

(7)采用化學(xué)氣相沉積法在該凹槽210的內(nèi)壁上及凹槽210兩側(cè)的第三絕緣膜530上生長厚度為50nm的氮化硅薄膜作為第四絕緣膜540。也就是說，第四絕緣膜540與第一絕緣膜510相對(duì)設(shè)置。

(8)采用電子束蒸發(fā)法在下芯片200的內(nèi)表面上的第四絕緣膜540上沉積50nm厚的金屬Cu，形成第二電極320，其中，第二電極320和第一電極310并不處于相對(duì)的位置；也就是說，第二電極320其實(shí)位于凹槽210一側(cè)的第四絕緣膜540上。

值得說明的是，在上芯片100上腐蝕制作通孔110以及在下芯片200上腐 蝕制作凹槽210的過程中，通過提前計(jì)算好通孔110的初始腐蝕位置的尺寸以及凹槽210的腐蝕開口的尺寸，再根據(jù)上芯片100和下芯片200所用Si片厚度即可自動(dòng)完成腐蝕，形成預(yù)定大小的通孔110和凹槽210；也就是說，通孔110和凹槽210的尺寸分別與初始腐蝕位置尺寸以及腐蝕開口尺寸相關(guān)；與此同時(shí)，位于通孔110一端開口的由氮化硅薄膜構(gòu)成的第一絕緣膜510的厚度、應(yīng)力等因素也對(duì)通孔110的設(shè)計(jì)有影響。通孔110和凹槽210的尺寸的一般設(shè)計(jì)方法為：首先確定通孔110和凹槽210開始腐蝕處的尺寸，以及上芯片100和下芯片200選用的Si片的厚度；然后沿晶向腐蝕，即形成預(yù)定尺寸的通孔110和凹槽210。

上述制備得到的上芯片100何下芯片200的截面尺寸均為2cm×3cm。

最后將待測固體620粘附于第一電極310的柵格結(jié)構(gòu)處，將待測液體610置于下芯片200的凹槽210中，并采用環(huán)氧樹脂作為粘合劑將上芯片100和下芯片200相對(duì)的兩端粘合，分別形成第一粘合件410和第二粘合件420；具體地，第一粘合件410設(shè)置在第二電極320和與之相對(duì)的第一絕緣膜510之間，而第二粘合件420設(shè)置在第一電極延伸部311和與之相對(duì)的第四絕緣膜540之間；如此，即將待測固體620與待測液體610封裝于由上芯片100、下芯片200、第一粘合件410和第二粘合件420形成的封閉空腔內(nèi)，繼而可通過常規(guī)SEM熱臺(tái)引出第一電極310和第二電極320，并進(jìn)行固-液相界面電化學(xué)反應(yīng)的原位SEM測量。

采用上述制備方法制備得到的SEM原位固-液相界面電化學(xué)反應(yīng)測量芯片，在進(jìn)行原位SEM測量時(shí)，無需使用昂貴的特制樣品桿，成本大幅降低；同時(shí)，設(shè)置于通孔110下方的第一電極310所具有的柵格結(jié)構(gòu)方便對(duì)待測樣品的變化進(jìn)行觀察。

雖然已經(jīng)參照特定實(shí)施例示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解：在不脫離由權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可在此進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種變化。